基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测量不确定度评估

罗 丰，张志凯

（浙江省计量科学研究院，310018）

基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测量不确定度评估

罗 丰，张志凯

（浙江省计量科学研究院，310018）

对于虚拟仪器测量不确定度进行评估，评估的基本思路就是运用概率事件中的仿真技术。这一技术能够产生出服从某一特定概率分布的随机数值，对虚拟仪器测量链里的随机误差源作出合理的模仿，将模拟随机误差和采样数据，一起输入到虚拟仪器信号中的处理模块内，取得一系列的伪测量结果。接下来，就是利用统计学中标准方差对伪测量结果加以表示，所表示出来的则是虚拟仪器测量结果的不确定度。同时，利用虚拟仪器的设计平台所提供的扩展机制，对数据采集卡中随机采样的误差仿真模块进行构建。运用误差仿真模块来对信号的测量不确定度进行评估，把评估的结果和理论值进行详细的对比，取得了比较好的一致性。

蒙特卡罗方法；虚拟仪器；数据采集；测量不确定度

0 引言

目前，伴随着科学技术的不断创新，人们希望有更多拥有竞争力的一系列测试产品能够以最快的速度投入到市场。和传统的仪器测量比较来看，虚拟仪器对于被测量数据的处理与计算更加复杂并且速度也更快，当然对测试结果的表达方面，也是更为多样化的，虚拟测量可以方便存储、交换一些测试的数据，其价格虽然比较低廉但是技术更新非常快。从理论的角度来讲，在虚拟仪器测量的每个模块中，每个误差源都会对测量结果的不确定度造成一些影响。而从误差的传递角度来讲，通过集成传感器与数据采集卡产生出来的误差源，一定要利用计算机软件的数据处理模块，对虚拟仪器测量结果不确定度做出贡献。正是因为虚拟仪器的测量功能以及面板控件都已经实现了软件化，所有的使用者均能够利用修改虚拟仪器的软件改变其功能，甚至可以对其规模加以改变其。

1 虚拟仪器测量系统的概述

伴随着运用的计算机技术与总线方式的不同，虚拟仪器测量系统的发展也是有所不同的，大致分成五种形式:

(1)PCI总线-插卡式:插卡型的虚拟仪器测量系统通过借助插到计算机里的数据采集卡和专用的软件结合在一起，共同构成了虚拟仪器测量系统。可是PC的机箱与总线都存在限制因素，

比如电源的功率不够充足，机箱里面的部分有很大噪声，插槽数量太少，插槽的尺寸有些小，机箱里面无法屏蔽等等，所以其价格较贵。

上图为 PCI总线-插卡式虚拟仪器测量系统组成

(2)并行口式:在最新研发出的一系列装置中，可以将测试装置连接到计算机并行口，把测试仪器的硬件集成到一个采集盒里。将测试仪器软件装到计算机上，往往能够完成各种各样的测量仪器的测试功能，同时还可以进行数据的记录和数据采集。因为它的价格比较低，用途十分广泛，对于研发部门以及教学实验室里是特别适用的。

(3)GPIB总线式:GPIB技术的出现让电子测量从单独的手工操作发展成为规模非常大的自动测试系统，GPIB测量系统的结构与命令是很简单的。

(4)VXI总线式:VXI总线为高速计算机总线在VI领域中的扩展，其拥有稳定的电源以及非常强大的冷却能力，它严格的RFI／EMI屏蔽也是强而有力的。因为XI总线方式虚拟仪器测量系统有很多优点，比如:标准开放与结构紧凑以及数据收放能力非常强；定时与同步精确的模块可以反复使用；许多仪器的厂家可以支持这种虚拟仪器测量系统，正由于拥有这些独特的优点，因此其得到了极其广泛的应用。

(5)PXI总线式:PXI总线式是在PCI总线的内核技术上，PXI总线式是在PCI总线内核技术上，加入多板同步触发总线的高新技术，方便了利用相邻的模块进行高速通讯。与其他虚拟仪器测量系统相比，有极高的扩展性，这种系统有8个扩展槽，但是台式的PCI系统最多只有4个扩展槽，通过运用PCI—PCI桥接器，可以使扩展槽得数量达到到200余个，把台式PC比较高的性能与PCI总线进入仪器领域的扩展优势结合到一起，未来会形成虚拟的仪器平刨。

2 虚拟仪器测量系统测量不确定度分析

在实际中运用虚拟仪器测量系统进行测量的时候，因为设备不够精确，方法尚未完善，程序还不规范，甚至还存在一些环境因素的影响，都有可能导致测量结果多多少少会偏离测量的真值，存在测量误差是无法避免的。从理论角度来讲，在虚拟仪器测量系统里，由于各个组成模块都会有不确定度源，因此都有可能对虚拟仪器测量结果的不确定度造成影响。从不确定度传递的方面来看，不确定度源是集成传感器与数据采集模块产生的，就一定要通过计算机软件来实现的数据采集以及数据处理工作，将数据采集模块实现模拟量到成数字量的转换，功能有些单一，不确定度源最主要的是依靠数据采集卡。

上图为数据采集系统组成框图

2.1 方法一:依照厂家提供的标定手册进行分析

依照厂家提供的标定手册对集成传感器不确定度来源进行分析，大致可以归纳为线性度、迟滞、重复性、灵敏度误差这四点。

2.2 方法二:依照精确度较高的测量仪器标定结果进行分析

依照精确度较高的测量仪器标定结果进行分析，能够利用精确度较高的集成温度传感器，在相对比较理想的测试环境下，标定方法一里的集成传感器，以此来得到其合成不确定度的信息。总言而之，对于集成传感器的不确定度分析，是专研基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测量不确定度评估这项工作中一个较为重要的组成部分，这会决定整个虚拟仪器测量不确定度评估是否会成功。

3 蒙特卡罗方法在测量不确定度评估上的应用

测量不确定度是对测量后取得的结果存在无法肯定的程度，其那个反映出对被测的真值存在认识全面的问题，在进行检验以及测量设备使用的时候，必须确保测量不确定度是已知的，并且和要求的测量能力达到一致。蒙特卡罗方法能够很好的解决在虚拟仪器测量中出现的各种问题。当已知误差传递系数的时候，对一个数学模型进行评估，其不确定度的分量误差传递系数，往往能够利用求导的数学方法求得。利用蒙特卡罗方法对虚拟仪器测量不确定度的评估过程当中，按照基于蒙特卡罗方法评估虚拟仪器测量不确定度原理，简单的介绍一下随机误差模块是的使用法，首先用户要编译好仪器测量的程序；然后在对被测量的数据进行采集，依照数据采集的方式，累计仿真模块所产生的随机误差并将误差相加，从而得到了伪测量数据；接下来，把累计相加后所得到的伪测量数据，输入到虚拟仪器软件平台里，对主程序的数据处理部分进行测量，获得虚拟仪器得测量结果，最后将测量结果进行循环并且统计出来数值的标准差，从而获得虚拟仪器测量不确定度。

4 结束语

综上所述，蒙特卡罗评估方法虚拟仪器测量不确定度有一个最大的特点，就是仅仅利用一组测量就能够得到测量的评估结果，而且运用蒙特卡罗评估方法，不用探究那些不确定度分量是如何由误差传递系数对虚拟仪器测量结果造成的影响，就完全能够直接利用仿真的方法实现测量评估。利用蒙特卡罗评估方法，有效的避免了在测量不确定度评估方法中，对于测量方程的解析以及线性的限制。现阶段，对于虚拟仪器测量系统的测量结果不确定度的研究，成为仪器精度领域的重点研究对象，把蒙特卡罗方法引进到测量不确定度的研究领域中，可能会是未来深入研究的一个极其重要的发展方向。

[1] 詹汇琴;习友宝;古天祥基于数字仿真法的虚拟仪器不确定度评估研究[D],仪器仪表学报 2011(10)

[2] Salvatore Nuccio;Ciro Spataro Approaches to Evaluate the Virtual Instrumentation Measurememt Uncertainties[D] 2012(06)

[3] 唐笑慧、富立、范耀祖，基于蒙特卡洛方法的惯性元件误差模型分析[A]，全国自动化新技术学术交流会论文集[C]，2012年

[4] 李鑫、杨锁昌、郑思龙、刘春桐、何祯鑫、赵晓枫、赵兵、袁成营，基于虚拟仪器的电源监测系统[J]，经纬仪的调平对心误差补偿研究[J]，大连理工大学，2012年

Uncertainty evaluation for virtual instrument measurement based on Monte Carlo method

Luo Feng，Zhang Zhikai
(Zhejiang Province Institute of Metrology，310018)

For virtual instrument to evaluate the uncertainty of measurement,the basic idea is to use simulation technology to evaluate the probability of events in.This technique is able to generate random values of a particular probability distribution,make a reasonable imitation of random error source of virtual instrument measurement chain,will simulate the random error and sampling data,together with the input to the virtual instrument signal processing module in the pseudo measurement results,obtained a series of.Next,is to use the standard variance in statistics of pseudo measurement results to show,the show is the uncertainty of the measurement result of virtual instrument.At the same time,extension mechanism design platform based on virtual instrument provided by the error of the simulation module,randomly sampled data acquisition card for construction.Using the error simulation module to signal measurement uncertainty evaluation,the evaluation result and theoretical value for detailed comparison, achieved good correspondence.

Monte Carlo method;virtual instrument;data acquisition;measurement uncertainty